آثار في خريطة الكون

اكتشاف آثار في أشعة الميكروييف الخلفية الكونية-التي تملأ الفضاء- تدعم فرضية تضخم الكون و تدل على وجود موجات الجاذبية في اللحظات الأولى من عمر الكون.

كتبه: مَعين يحيى بن جنيد
ساوثهامبتون، بريطانيا

إن رحلة الإنسان لاستكشاف ما في الآفاق لا تنتهي. بالأمس أعلنت مجموعة من علماء الفيزياء و الفلك عن اكتشاف جوهري من شأنه أن يعمق فهمنا لمرحلة سحيقة جدا من عمر الكون الذي نقطنه، و أن يزيد ثقتنا في نظرياتنا العلمية الفيزيائية التي ما فتئت تجتاز اختبارات التجارب لدقة قد لا يتصورها العقل.

ما أعلن هو اكتشاف لنوع خاص من الاستقطاب الضوئي -مشروح في المتن-  في أشعة الميكروييف الخلفية الكونية، و هي الأشعة التي تملأ الكون و التي سبقت وجود الأرض و الشمس و المجرة و كل الأجرام السماوية، و التي نتجت في بدايات الكون. و من شأن هذا الاكتشاف -إن أكدته تجاربا أخرى- أن يدعم فرضية مرور الكون بمرحلة تضخم مهولة و لحظية في بداياته، و عن وجود موجات الجاذبية في تلك المرحلة. و قد عُرضت نتائج الدراسة البارحة في مؤتمر صحفي بمركز هارفارد-سميثسون للفيزياء الفلكية، و يقوم على الدراسة مجموعة من الباحثين الذي قاموا باستخدام مرصد فلكي يقع في القطب الجنوبي. و قد نشرت نتائج التجربة في موقع خاص -قبل إرسالها للتحكيم-: http://bicepkeck.org

فيما يلي سأحاول أن أشرح خلفية الاكتشاف و بعض المفاهيم المصاحبة له.

 

أشعة الميكروييف الخلفية الكونية

هذه الأشعة هي أقدم صورة يمكن أن “نراها” للكون، و لا يمكننا أن “نرى” الكون في المراحل التي سبقت انطلاق تلك الأشعة. تخيل أن أقدم صورة تملكها لنفسك هي صورة التقطت عندما كنت في الثالثة من العمر فلا توجد لك صورة قبلها.

إن السبب الذي يمنعنا عن رؤية الكون لحظة ولادته و أيام طفولته الأولى هو أن الضوء بكل أنواعه  لم يكن بإمكانه السفر في الفضاء -حتى يقع في عين راصد فيرى-، بل كان محبوسا في حيز ضيق جدا، و ذلك لأنه كان “يتصادم باستمرار” مع الإلكترونات. لك أن تتصور الرياض عندما تهب عليها عاصفة رملية ضخمة في وسط النهار، فيصبح كل ما حولك معتم لأن الضوء مشغول بالتصادم مع ذرات الغبار، و ما أن ينقشع الغبار حتى تفيض أشعة الضوء إلى أعيننا فنرى النهار. و هكذا الكون، لقد كان معتما بالكلية، و ما أن انتهت المرحلة التي تسمى مرحلة البلازما حتى أصبح الضوء حرا طليقا في فضاء الكون. و يا لحسن حظنا أننا نعيش في زمن نستطيع فيه أن نرصد و نرى ذلك الضوء الذي خلفه الكون في بداياته، و هو ما نسميه: أشعة الميكروويف الخلفية الكونية.

إن الصورة التي ستراها الآن هي أقدم صورة للكون. قبل أن توجد الأرض و الكواكب و الشمس و سائر النجوم و المجرات. فسبح باسم الذي خلق!

هذه صورة التباينات في درجة حرارة أشعة الميكروييف الخلفية الكونية، و هي صورة اكتملت في العام 2013م بعد مسح للفضاء دام لعدة سنوات و أنجزه مسبار فضائي اسمك مسبار بلانك. (مصدر الصورة: وكالة الفضاء الأوروبية ESA)

 

إذا تأملت أقدم صورة لك عندما كنت طفلا في الثالثة -كما افترضنا سابقا-، فإنك قد تجد علامات فارقة تدلك على ما حصل في مرحلة سابقة من عمرك -مهما اقتربت أو بعدت تلك المرحلة عن وقت أخذ الصورة-. مثلا، ربما تجد أثر حليب -أو صفعة؟- على خدك أو شيء من هذا القبيل، فتستدل على أنك كنت تشرب أو تأكل قبل أخذ الصورة بدقائق.

و هكذا الأمر بالنسبة للكون، إن الآثار المطبوعة على أشعة الميكروييف الخلفية الكونية -انظر الصورة و التي سأسميها من الآن فصاعدا: خريطة الكون- تدلنا على ما كان الكون عليه في مراحل تسبق الوقت الذي نشأت فيه تلك الخريطة. و قد توالت الدراسات -خلال السنوات الماضية و لم تزل- التي تعكف على فك شفرات خريطة الكون و تفنيد ما فيها من آثار و معالم، حتى اكتشفنا حقائق جمة عن الكون في بداياته.

لنعد عزيزي القارئ إلى صورتك و أنت طفل الثالثة. إذا كنت حليق الشعر في الصورة، فسوف تستدل على أنه قد حُلق قبل أخذ الصورة بفترة زمنية تمتد ما بين دقائق إلى يوم أو يومين، و لكن ليس قبل التقاط الصورة بشهر لأن شعرك سيكون قد نبت! في المقابل، لو رأيت في الصورة “ندبة” إبرة كبيرة على كتفك، فسوف تستنتج أنها أثر التطعيم “بعد ولادتك” -أي قبل وقت التقاط الصورة بثلاثة سنين-. و الشاهد من الموضوع هو أنك بتفحصك للصورة؛ تستطيع أن تستدل على -أو تكتشف- “أحداث” وقعت في “مراحل زمنية” محددة، و إن لم تشهد الأحداث نفسها بأم عينك.

و هكذا هو الأمر بالنسبة للكون. كل أثر “يكتشفه” علماء الفيزياء و الفلك في خريطة الكون هو مرتبط بـ”حدث” ما و بـ”مرحلة زمنية” محددة.

إن هذا الاكتشاف الأخير الذي نتحدث عنه هو اكتشاف عظيم جدا لأنه يرتبط بحدث جلل و بمرحلة زمنية بالغة الأهمية. أما المرحلة الزمنية، فهي أقدم زمن من شأنه أن يترك أثرا في خريطة الكون -أي لحظات نشوء الكون الأولى-. و أما الحدث: فهو “التضخم” المهول الذي مر به الكون لحظة ولادته. و مربط الفرس -كما يقال- هو أننا أخيرا نستطيع أن نقول أننا نعلم -بثقة كبيرة- ماذا حدث   للكون في لحظاته الأولى بدعم من الرصد. و لكننا يجب أن ننتظر التجارب الأخرى التي تحاول التأكد من صحة “الاكتشاف”.

 

النظريات العلمية الفيزيائية

يعتمد علماء الفيزياء و الفلك حاليا على نظريات علمية فيزيائية نعتقد -بثقة عالية- أنها تصف “معظم” الكون، من أصغر المقاييس إلى أكبرها. مثلا، الجسيمات الأولية -المسماة بالكوراكات و اللبتونات- تصغر سمك شعرة رأسك بمليون مليار مرة!، و الكون المرئي يكبر سمك شعرة رأسك بـ 430 مليون مليون مليار مرة -و هي أرقام يصعب تخيلها!-.

و تحديدا، كلما اقتربت سرعة الأشياء من سرعة الضوء -كالضوء نفسه، و كما هو حال الإشعاعات الكونية التي تصطدم باستمرار بالغلاف الجوي للأرض و غير ذلك- فإن النظرية التي تصف حركتها و تتنبأ بها بدقة متناهية هي “النظرية النسبية الخاصة”.

و كلما صغر حجم الجسم -أو الحيز الذي يشغره في الفضاء- حتى يصل لما دون الذرة، فإن النظرية الصحيحة لوصف “حركتها” هي النظرية الكمية -أو الكوانتم-.

لقد نجح علماء الفيزياء في دمج النظرية النسبية “الخاصة” بالنظرية الكمية فيما يسمى بنظرية المجالات الكمية -أو الحقول الكمية- قبل ما يزيد عن 50 عاما. و باستخدام نظرية المجالات الكمية نصف حالة الجسيمات الأولية “المتناهية الصغر” و التي تسير بسرعة “قريبة من سرعة الضوء” في آن.

و أخيرا فإن النظرية التي تصف “الجاذبية” بدقة كبيرة هي “النظرية النسبية العامة” -و هي تختلف عن النظرية النسبية الخاصة-. و “لم يتم” ربطها بالنظرية الكمية بشكل يرضي علماء الفيزياء بعد، و ربما لن نستطيع أبدا! و لكن من أهم تنبؤاتها -و التي تدعمها التجارب حتى اليوم- هو وجود موجات الجاذبية. و موجة الجاذبية هي اضطراب يحصل في الزمان و المكان -سأجمعهما تحت مسمى: الفضاء-، و له آثار بالغة الأهمية، إذا تم رصدها فإن ذلك دليل -مباشر أو غير مباشر- على وجود موجات الجاذبية، و بالتالي صحة النظرية النسبية العامة. عموما، اليوم لا يوجد شك لدى علماء الفيزياء في وجود موجات الجاذبية -بدعم من عمليات رصد قديمة لنوع خاص من ما يسمى بالنجوم النيوترونية-. و لكن لم يكن يوجد -حتى البارحة- دليل على وجود موجات الجاذبية في بدايات الكون.

 

موجز عن مراحل “نمو” الكون

بالاستناد إلى حقائق عدة عن الكون، إضافة إلى النظريات الراسخة، يطرح حفنة من العلماء تصورات -تتوافق مع الرصد و النظرية- عن بدايات الكون. و هذه التصورات تؤدي إلى تنبؤات يمكن الكشف عنها، سواء أفي المعامل أم من خلال الرصد. و “الكشف عنها” هو: إما تأكيدها أو نفيها.

فبالرصد اكتشفنا أن الكون الذي نقطه الآن آخذ في التوسع. و تحديدا، فإن التجمعات المجرية تبتعد عن بعضها، كما تبتعد النقاط المرسومة على بالون عن بعضها عند نفخه.

و من هذا نستنبط أننا كلما عدنا في الزمن إلى الماضي، فإن الكون يتقلص، و بالتالي ترتفع درجة حرارته، و بالتالي تزداد طاقته -و ما يحويه-.

زيادة الطاقة هذه تدل على أن النجوم و المجرات و ما تحويها من أجرام تتفكك بالعودة إلى الماضي. بمعنى أنها تشكلت -بفعل الجاذبية- في وقت ما بعد نشوء الكون، فقبل ذلك الوقت، لم تكن هناك مجرات و نجوم و أجرام سماوية.

قبل أن تتكون النجوم و المجرات، كان الكون يمتلئ بذرات الهيدروجين خاصة -و قليل من الهيليوم و يندر جدا غيره-. و كانت بعض الأماكن في الكون تحوي تجمعات من تلك الذرات أكثر من غيرها -أي اختلاف في الكثافة-.

قبل ذلك كانت الذرات متفككة و كان الكون في مرحلة تسمى مرحلة البلازما، و هي المرحلة التي كان الكون فيها معتما. و عند انتهاء تلك المرحلة انطلق الضوء الذي نسميه اليوم: أشعة الميكروويف كما ذكرت سابقا.

سأعرج مباشرة إلى مرحلة تسبق مرحلة البلازما و هي مرحلة تضخم فيها الكون بشكل مهول و لحظي.

و دعني أوضح أمر ما، تضخم الكون و توسع الكون يختلفان. ما نقصده بالتوسع هو التوسع العادي الذي مر به الكون و ما زال. أما التضخم فهي مرحلة توسع هائلة و مفاجأة استمرت لفترة قصيرة جدا توسع فيها الكون إلى مليار مليار مليار ضعف، فهي لحظة “انفجار” مر بها الكون في بداياته.
بعد مرحلة التضخم، استمر الكون في التوسع -و ما زال- و لكن بمعدل أبطأ بكثير.

باختصار، أكثر ما يمهما هو أن نعرف أن العلماء يفترضون أن الكون قد مر بمراحل قبل مرحلة انطلاق أشعة الميكروويف الخلفية الكونية. و أهم ما في الأمر هو أن فرضياتهم هذه تتنبأ بأن تلك المراحل سوف تترك أثرا “محددا” و “خاصا” بكل مرحلة. و لذلك، فإن دراسة خريطة الكون، و اكتشاف آثار تتوافق تماما مع ما تتنبأ به الفرضيات هو دعم و توثيق لها، و إذا ما قامت تجارب “مختلفة” و “مستقلة” برصد الأثر نفسه، و تأكدنا أننا لا يمكن أن نفسره بطريقة أخرى، فإن تلك الفرضيات ستصبح “حقائق علمية”.

 

الدراسة و منجزاتها

هناك نوعان رئيسان من الآثار و التي نرصدها بشكل مباشر عند دراسة خريطة الكون:

الأول: تخللات في درجة الحرارة. و هي النقاط الحمراء و الزرقاء الموجودة في الصورة الأولى.

الثاني: استقطاب ضوئي. و الاستقطاب بكل يسر يرتبط باتجاه تذبذب الضوء -تحديدا المركبة الكهربية منه-. مثلا، نظارتك الشمسية تستقبل ضوء الشمس -و هو الذي يتذبذب في كل اتجاه-  فتصفي عدسة النظارة كل موجات الضوء عدا تلك التي تتذبذب في اتجاه محدد. إن هذا الضوء الذي تسمح له نظارتك الشمسية بالمرور خلالها هو ضوء مستقطب.

لن أتطرق في هذه المقالة لدراسة التخللات في درجة الحرارة -على الرغم من أهميتها البالغة-، بل سأركز حديثي في جانب الاستقطاب.

هناك نوعان من الاستقطاب يمكن رصدهما في خريطة الكون. الأول: هو استقطاب شبه كهربي، و دعني أسميه استقطاب من “النمط-ك”، و الثاني: هو استقطاب شبه مغناطيسي و سأسميه استقطاب من “النمط-م”.

لا تخف عزيزي القارئ فلن أغرقك بالتفاصيل. و لكن اِعلم أن “النمط-ك” ينتج بسبب التخللات في كثافة المادة في مرحلة البلازما. و أيضا ينتج عن موجات الجاذبية التي يفترض العلماء أن مرحلة التضخم أدت إلى مضاعفتها بحيث إنها حتما ستترك هذا النوع من الاستقطاب. تذكر عزيزي، لو لم تحدث مرحلة التضخم، فلا يمكن أن تنتج موجات الجاذبية. و أخيرا فإن “النمط-ك” من الاستقطاب لا يهمنا حاليا!

المهم بحق هو “النمط-م” من الاستقطاب. و المعلومة الأساس التي يجب أن تعرفها هي أن هذا النمط لا ينشأ إلا عن موجات الجاذبية -و التي بدورها نشأت بسبب التضخم-. و لكن اِعلم أن هناك مصدرا آخرا يمكن أن يترك أثرا “يظهر” على شاكلة “النمط-م” في خريطة الكون. و هذا المصدر لا يتعلق ببدايات الكون، و إنما يتعلق بظاهر تسمى  “عدسة الجاذبية” -و هي مختلفة عن “موجات الجاذبية” التي تحدث عنها سابقا-.
لا يهمني تعريف “عدسة الجاذبية” الآن، و لكن اِعلم عزيزي القارئ أن العلماء يجب أن يفرقوا بين أثر “عدسة الجاذبية” و أثر “موجات الجاذبية”، فالأول ينتج عنه ما هو على شاكلة “النمط-م” للاستقطاب و الثاني ينشأ عنه “النمط-م” الحقيقي و الناتج بسبب موجات الجاذبية التي نشأت عن مرحلة التضخم.

إضافة إلى كل ما سبق، اِعلم أن أشعة المكروويف الخلفية الكونية -خريطة الكون- ليست مستقطبة بالكلية. بل إن جزءا ضئيلا منها هو المستقطب. و الجزء المستقطب ذو “النمط-م” ضئيل جدا جدا. و لهذا فإن تفنيد خريطة الكون -بتصفية كل مصادر التشويش أو الآثار الشبيهة- و استخراج دليل قطعي على وجود استقطاب من “النمط-م” ناتج عن موجات الجاذبية، هو أمر بالغ التعقيد و متناهي الدقة.

[Cridet: BICEP2]

إن الاكتشاف الذي حصل هو أن العلماء -الذين ساهموا في التجربة- يعتقدون أنهم وجدوا أثر الاستقطاب من النمط-م الناشئ عن موجات الجاذبية التي نشأت بدورها عن مرحلة التضخم. و لأن ادعائهم عظيم، فإن المجتمع العلمي الآن يترقب نتائج تجاربا أخرى تحاول “اكتشاف النمط-م للاستقطاب” في خريطة الكون. و إذا ما أكدت وجوده عدة تجارب حتى أجمع صحته العلماء، فإن هذا يعد دليل قاطع -و لكن غير مباشر- عن حصول مرحلة التضخم عند لحظات الكون الأولى، و عن وجود موجات الجاذبية من ذلك الزمن. و عندها بكل تأكيد ستتحول الفرضية إلى “حقيقة” مدعومة بالتجربة -حتى يثبت العكس!-، و سيفوز بعض العلماء بجائزة نوبل. و أهم من كل هذا، أننا سنلهث لاستكشاف المزيد.

[تحديث بتاريخ 22-سبتمبر-2014م: نشرت تجربة بلاك دراسة جديدة، و من ضمن ما تشير إليه هو أنه من الراجح أن يكون ما رصدته تجربة بايسب2 ليس موجات جاذبية من أعماق الكون، بل غبار كوني من المجرة. و لكن لكي يحسم الأمر سوف ننتظر نتائج التحليل المشترك بين التجربتين.]

جميع حقوق النشر محفوظة لمَعين يحيى بن جنيد، مدونة فوضى، 2006-2014 ©
لا يسمح بنقل أو نشر أي مقال أو صورة بدون استئذان؛ إلا بإشارة مباشرة لاسم الكاتب: مَعين يحيى بن جنيد، و رابط المدونة: https://www.physlad.com/arblog/wordpress/ كمصدر.

آثار في خريطة الكون بواسطة مَعين يحيى بن جنيد مرخص بموجب رخصة المشاع الإبداعي نسب المصنف – غير تجاري 4.0 دولي.